核電站主控制室不同氣流組織下熱環(huán)境研究

趙春鳳

上海核工程研究設計院

當今社會，清潔能源的利用是應對目前世界上能源緊缺的重要措施。核電作為清潔能源之一，受到各國家廣泛重視，截至2008年，已有439座核反應機組在商業(yè)運轉中，約提供全球16%的電力[1]。我國目前在運15座核電機組，在建26臺，裝機容量4000萬千瓦左右，預計在2020年達7000萬千瓦，需求非常大[2]。目前，公眾對發(fā)展核電最主要的顧慮是安全問題，2011年日本9級地震誘發(fā)的福島核電站事故，引發(fā)新一輪的核擔憂，在一定程度上影響了核電的發(fā)展。除了特大地質災害外，由于人的失誤使核電廠的運行受到影響的事件占70%[3]。主控制室的作用是提供符合抗震要求又具可居留性的場所，使操縱員能在核電站的全運行壽期內、包括應急運行期間對核電站實施監(jiān)控并在事故工況下將核電站引至安全停堆狀態(tài)[4]。采用合理的HVAC策略，創(chuàng)造出適合工作人員和設備正常工作要求室內熱環(huán)境，對于提高人員工作效率，降低人因失誤，提高設備的可靠性具有重要價值。本文采用數(shù)值計算的方法對核電站內主控制室正常工況下的熱舒適性進行模擬分析，比較不同送風方式下主控制室內的熱舒適性。本文的方法和研究結果對于其他類似或工業(yè)用控制室的氣流組織具有借鑒價值。

1 主控制室物理模型

主控制室示意圖如圖1所示[4～5]，主控制室?guī)缀文Ｐ腿鐖D2所示，本主控制室的選擇不針對具體堆型，僅用來對核電站主控室熱負荷下室內熱環(huán)境進行研究。其中主要的熱源為室內人員，顯示屏幕，電子設備以及屋頂燈光設備等，熱源大小如表1所示。主控制室尺寸為10.36m×5m×11.15m，兩種工況下的送排風位置如圖所示，分別是上送風和側送風，送風口大小分別為0.3m×0.3m 和 0.6m×0.15m，送風溫度為 20℃，送風速度2.67m/s，總的換氣次數(shù)為6次；排風口大小都為1m×0.4m。

圖1 主控制室示意圖

圖2 簡化物理模型

表1 主要熱源功率列表

2 計算模型

對主控制室熱環(huán)境采用計算流體力學方法（CFD），應用CFD商用軟件FLUENT進行模擬。網(wǎng)格劃分采用結構化網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格獨立性檢驗，最終確定劃分網(wǎng)格總數(shù)為52.83萬。主要計算了主控制室內的流場、溫度場，通過對人員活動區(qū)溫度場的比較，比較兩種送風方式下的熱環(huán)境特性。流場、溫度場計算由連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及湍流模型聯(lián)合求解，連續(xù)性方程、動量方程和能量方程可用式（1）統(tǒng)一描述[6]，其中各參數(shù)的物理含義見表2所示。

式中：ρ 為空氣密度；V 為速度矢量；Гφ，eff為等效擴散系數(shù)；ui為三維速度場中各速度分量，i=1，2，3；T 為空氣溫度；μ為空氣運動粘滯系數(shù)；μi為湍流粘滯系數(shù)；λ為空氣導熱系數(shù)。

表2 控制方程各參數(shù)物理意義

為了簡化計算，室內湍流粘滯系數(shù)的確定采用Chen零方程模型[7]，室內零方程模型是在室內空氣自然對流和混合對流的直接數(shù)值模擬 DNS（Directly Numerical Simulation）結果的基礎上提出的湍流模型，對于房間內非等溫流動的Rayleigh數(shù)范圍（2.6～3.0×1010），可以認為渦黏系數(shù)正比于流體密度、當?shù)厮俣群途啾诿孀罱嚯x，比例系數(shù)由直接數(shù)值模擬的結果擬合而得：

式中：ρ為流體密度；ν為當?shù)貢r均速度；L為當?shù)鼐啾诿孀罱木嚯x，取0.03874。

用此模型預測室內空氣流態(tài)、空氣溫度分具有一定的準確度，所需內存少，效率較高。

3 計算結果及討論

3.1 流場比較

通過計算，在送風口橫截面上，兩種送風方式下的流場如圖3所示。從圖中可以看出，上送風風口下面的風速較大，超過了0.6m/s，對人而言有較為嚴重的吹風感。而側送風由于射流的作用，人員基本上處于回流區(qū)，主控制室中央?yún)^(qū)域流速較不是很大，即便是風口所在截面，2.0m以下的風速也基本上小于0.3m/s。圖4為1.5m高的位置上的速度等值線圖，從中可以明確的看出，側送風較上送風而言，人員呼吸區(qū)的速度分布更為均勻，人員的吹風感較弱。

圖3 兩種送風方式下送風口截面流速分布

圖4 高度為1.5m的橫截面上的速度分布圖

3.2 溫度場比較

兩種送風方式下的溫度場模擬結果如圖5和圖6所示。圖5為送風口橫截面的溫度示意圖，可以看出，兩種送風方式風口橫截面處的溫度均較為均勻，人員所處位置的溫度基本為23～27℃之間，由于上送風所送冷空氣直接進入空間下部，天花板處的熱源所釋放熱量對其影響較小，因此，天花板整體溫度偏高，但室內溫度相對較低；而側送風在空氣流動過程中與天花板進行對流換熱，一部分熱量帶入了天花板下部，因此天花板附近除了個別區(qū)域外，整體溫度較高，而室內溫度分布也較為不均勻，熱源附近溫度由于風速較小，對流換熱較差，因此溫度較高。整體而言，這兩種送風方式的溫度場對人的影響不是太大。圖6為高度1.5m的人員呼吸區(qū)溫度分布，從中也可以看出側送風的溫度分布并不均勻，但主要體現(xiàn)在熱源附近的溫度差異較大，而人員周圍的溫度仍然維持在27℃以下。圖7為人員附近沿高度方向的溫度分布，從中可以看出，由于側送風人員處于回流區(qū)，風速較小，對流換熱較差，因此在人員垂直方向上溫差較大，人員附近普遍溫度較上送風時高，而且沿著高度溫度逐漸降低。

圖5 送風口截面溫度分布圖

圖6 高度為1.5m的橫截面上的溫度分布圖

圖7 中心人員身體周圍沿高度方向的溫度分布

4 結論

在相同送風量和送風溫度的條件下，通過模擬計算得到了兩種不同送風方式的主控制室熱環(huán)境，通過比較發(fā)現(xiàn)：

1）兩種送風方式均能有效地保證室內熱環(huán)境，大部分區(qū)域滿足室內人員的熱舒適要求。

2）上送風局部區(qū)域特別是風口正下方的風速較大，人員會有較強的吹風感，這些區(qū)域如果安排工作人員，會造成工作人員的不舒適；但上送風可以減少將天花板負荷帶入室內，如果房間頂部散熱量較大時，上送風方式是一種較好的選擇。

3）側送風時，人員處于回流區(qū)，風速較小，整個工作區(qū)速度比較均勻。風速較低導致?lián)Q熱能力較弱，因此溫度場分布較不均勻，熱源附近溫度偏高，但整體而言，人員活動區(qū)溫度基本滿足國家相關規(guī)范的要求。

[1]張之華,葉茂,羅昕,等.日本福島核事故的思考與警示[J].原子能科學技術,2012,46(S):904-907

[2]Yang bo.China Nuclear Energy Development[Z].http://www.iaea.org/nuclearenergy/nuclearknowledge/schools/NEM-school/2012/Japan/PDFs/week1/3-3_Yang_ChinaNuclearEnergyDevelo pment.pdf

[3]戴立操,黃曙東,張力.核電廠主控制室人因工程設計分析[J].南華大學學報(自然科學版).2005,19(2):58-61

[4]丁瑩.AP1000核電站主控制室先進性探討[A].見:中國核學會2007年學術年會論文集[C].武漢,2007

[5]Daryl Harmon,Steve Kerch,David Peffer.AP1000核電廠先進控制室[J].核電,AP1000先進核電技術?？?72-76

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2001

[7]Chen Q Y,Xu W R.A zero-equation turbulence model for indoor airflow simulation[J].Energy and Buildings,1998,28(2):137-144